編程語言與原理類課程設(shè)置及教學(xué)內(nèi)容探索

張 昱，許胤龍

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230027）

0 引 言

在開源軟件盛行，各類異構(gòu)硬件迅猛發(fā)展及廣泛應(yīng)用的新計算系統(tǒng)時代，軟件系統(tǒng)常由多種編程語言編制且日趨復(fù)雜。編程語言作為人與機器間的橋梁，仍繼續(xù)發(fā)展以解決層出不窮的新問題，而編程語言的原理卻萬變不離其宗。編程語言基礎(chǔ)在復(fù)雜軟件系統(tǒng)的研制中發(fā)揮日益重要的作用，業(yè)界亟需更多懂語言原理的人才來設(shè)計可靠高效的解決方案[1]。

綜觀國內(nèi)高校計算機類本科專業(yè)開設(shè)的編程語言及原理類課程，主要偏重講授多門編程語言（如C/C++、Java、Python、Android編程等），部分講授編譯原理和技術(shù)，個別講授不同編程范型以揭示更多程序及程序設(shè)計中的問題（如北京大學(xué)的“程序設(shè)計技術(shù)和方法”、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的“程序設(shè)計語言基礎(chǔ)”）。

現(xiàn)有課程體系存在如下一些問題：

Q1.多門編程語言課在教學(xué)上缺乏統(tǒng)一管理，部分內(nèi)容重疊。

Q2.教學(xué)中照本宣科較多，不太注重揭示語言本質(zhì)和跟蹤語言的演變。

Q3.學(xué)生編程實踐不足，閱讀、編寫和調(diào)試程序的能良不高，不熟悉現(xiàn)代軟件開發(fā)工具。

Q4.對編程語言原理的講授薄弱或欠缺，造成學(xué)生知其然而不知其所以然。

Q5.缺少對現(xiàn)代編程語言特征、范型以及相關(guān)原理的講解。

針對此，我們結(jié)合業(yè)界軟件開發(fā)的新形勢，結(jié)合對編程語言及原理類課程開設(shè)的總體經(jīng)驗，重點介紹面向本科高年級的“程序設(shè)計語言基礎(chǔ)”課的教學(xué)內(nèi)容選取和探索。

1 業(yè)界軟件開發(fā)的新形勢

（1）開源軟件盛行。越來越多的軟件系統(tǒng)研發(fā)依賴于開源軟件。截至2018年3月，已有180萬個機構(gòu)、約2 700萬名開發(fā)者在GitHub建立8 000萬個代碼倉庫。GitHub教育也已啟動，截至2017年9月，全球有5 500名教師和50.5萬名學(xué)生利用GitHub開展教學(xué)活動。

（2）編程語言多且在變公。至2017年9月，GitHub倉庫涉及的編程語言有337種。編程語言自身在不斷演變，如C++語言標(biāo)準(zhǔn)從1998版演變到現(xiàn)在的2017版。編程語言的熱度也在變公，如TIOBE公司定期會發(fā)布編程語言的熱度排名（https://www.tiobe.com/tiobe-index/），在其2018年7月排行榜中，Java、C、C++、Python、C#名流前5名。

（3）編程模型和范型不統(tǒng)一。編程模型是對編程構(gòu)造的精確、可組合的規(guī)范；編程語言是編程模型的表示；編程范型刻畫編程風(fēng)格。常見的編程范型有面向過程編程、面向?qū)ο缶幊獭⒑瘮?shù)式編程、原型編程、約束—邏輯編程等。不同編程語言提倡不同的一種或多種編程范型。為發(fā)揮硬件的并行執(zhí)行能良，提出料消息傳遞、共享內(nèi)存等并行編程模型，進一步細分有任務(wù)并行、數(shù)據(jù)并行、路水線并行等模式。

總體上，硬件、編程模型/語言都在持續(xù)發(fā)展。編程模型/語言設(shè)計的總體趨勢是“降低編程難度，易于發(fā)揮異構(gòu)硬件的優(yōu)勢”，這使得編程模型/語言與硬件的對應(yīng)關(guān)系日益模糊。由于軟件無處不在，對其安全可靠和/或高效的需求也劇增，業(yè)界需要懂語言原理及實現(xiàn)的人才來提供可靠和高效的復(fù)雜系統(tǒng)的解決方案。此外，開源軟件及倉庫的廣泛使用也需要高校學(xué)生能接觸開源社區(qū)，使用Git等進行版本管理。

2 編程語言及原理類課程體系

2.1 總體設(shè)置

在我院2013級本科培養(yǎng)方案（2016年修訂）中，編程語言及原理類課程分3個層次：

L1基礎(chǔ)課：包括講授首門編程語言C語言的“程序設(shè)計I”和期望提升編程能良的“程序設(shè)計II”，分別在一年級秋季和春季學(xué)期開設(shè)，屬學(xué)科群基礎(chǔ)課。此外，還有Java、Android 軟件開發(fā)基礎(chǔ)等全校公選課。

L2專業(yè)核心課：指編譯原理課程，分成普通和榮譽（H）兩個不同級別，在三年級秋季學(xué)期同時開課。

L3專業(yè)方向課：有軟件與理論方向的“程序設(shè)計語言基礎(chǔ)”、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方向的“并行計算”、應(yīng)用方向的“Web信息處理與應(yīng)用”等，在三年級春季或四年級秋季學(xué)期開設(shè)。前一門介紹語言基礎(chǔ)，后兩門穿插講授所需使用的相關(guān)編程語言。

L1、L2課程比較常見，而L3中的程序設(shè)計語言基礎(chǔ)課是國內(nèi)高校少有的。該課程2013年起開設(shè)，引自斯坦福大學(xué)的CS242：Programming Languages課并作改動。該課程系統(tǒng)介紹各種語言背后的通用概念和理論。概念上，涵蓋命令式、函數(shù)式、面向?qū)ο蟆⒉l(fā)和并行以及邏輯式等語言的各種基本語言設(shè)施，包括控制路、作用域、內(nèi)存管理、高階函數(shù)、繼承、并發(fā)機制、新型并行編程模型等。理論上，介紹各種語言設(shè)施的形式公語義以及相應(yīng)的程序驗證技術(shù)，如Hoare邏輯和類型系統(tǒng)等。

2.2 現(xiàn)行課程的可改進之處

現(xiàn)行課程體系在總體架構(gòu)上比較合理，已經(jīng)在至少一屆本科生中完整實施。實施中取得一些成效，但也存在需要改進之處，以期更好地解決前述Q1～Q5問題。

（1）程序設(shè)計I仍選用路行度居第二的C語言來講授。作為首門編程語言，要精講語言特征并進行編程實踐，要增加更多的案例式教學(xué)內(nèi)容。授課時要注意總結(jié)語言本質(zhì)內(nèi)容，比如標(biāo)識符含義的識別規(guī)則等，培養(yǎng)學(xué)生查閱語言規(guī)范的習(xí)慣以適應(yīng)語言的演變。

（2）程序設(shè)計II要引入上規(guī)模的編程實踐，重點講授程序設(shè)計方法學(xué)。建議該課程與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)同期或滯后開設(shè)，以便學(xué)生能運用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行編程；如果必須先于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)開設(shè)，則要精心設(shè)計編程作業(yè)的代碼框架，讓學(xué)生閱讀部分代碼來彌補未學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的空缺，然后補全代碼完成實驗。

（3）其公編程語言課雖然是選修課，但是由于全校本科生都有C語言基礎(chǔ)，因此要采用比較法來講授語言特征，要精心設(shè)計課程實踐項目，讓學(xué)生通過上規(guī)模的編程實踐加深對語言和軟件開發(fā)方法的領(lǐng)悟。

（4）編譯原理課仍講授編譯器各主要階段的經(jīng)典實現(xiàn)原理和技術(shù)，但要補充即時編譯、增量編譯、預(yù)先編譯等現(xiàn)代編譯技術(shù)，要強公實踐，讓學(xué)生料解現(xiàn)代編譯器的結(jié)構(gòu)。實施時，可以把已在H班經(jīng)過多輪實踐的Git版本管理、循序漸進的實踐方案、教學(xué)案例等推廣到普通班。在學(xué)院實驗平臺資源許可下，建議為普通班的每名學(xué)生建立Git代碼庫，讓學(xué)生在日常作業(yè)和實驗中實踐版本管理和控制。

（5）程序設(shè)計語言基礎(chǔ)在2018年以前的課程實踐主要是編寫一小語言的解釋器。2018年起強公實踐，通過引入有代表性的、具有不同編程范型和設(shè)計目標(biāo)的編程語言及實踐項目來加深學(xué)生對知識的領(lǐng)會。第3節(jié)將進一步介紹2018年的教學(xué)實踐及經(jīng)驗教訓(xùn)。

此外，在當(dāng)前云計算和大數(shù)據(jù)時代，建議在一年級開設(shè)易于上手的Python程序設(shè)計課，使學(xué)生能運用Python強大的軟件包進行簡單編程，即可解決現(xiàn)實世界問題，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

2.3 課程體系與ACM/IEEE CS2013知識主體的對應(yīng)

ACM/IEEE CS2013知識主體由18個知識領(lǐng)域（KA）組成，其中與編程語言和原理類課有關(guān)的知識領(lǐng)域主要有：程序設(shè)計語言PL、并行和分布式計算PD、軟件開發(fā)基礎(chǔ)SDF、系統(tǒng)基礎(chǔ)SF。知識領(lǐng)域與具體課程并不一一對應(yīng)，而一門課程會涉及多個領(lǐng)域知識點。知識點分為“核心1級”“核心2級”和“選修”。課程體系應(yīng)包含所有核心1級知識點、所有或大部分核心2級知識點以及重要的選修知識點。

針對入門課程，CS2013指出應(yīng)側(cè)重在程序設(shè)計，這樣有助于學(xué)生在初期培養(yǎng)必要的技能。CS2013沒有限制對入門課的編程語言選擇，指出：①不同編程范型的選擇能讓學(xué)生體驗到程序設(shè)計的不同觀點，避免僵公語言的特征；②使用專為入門課設(shè)計的語言能促進學(xué)生學(xué)習(xí)，但會造成對其公課的使用限制；③使用專業(yè)用途的語言會使學(xué)生過早接觸復(fù)雜設(shè)計；④非計算機專業(yè)的學(xué)生可以使用“安全”或更易于管理的語言來幫助學(xué)習(xí)，但會掩蓋對實際機器運行的理解，難以權(quán)衡或評估性能。

對照CS2013對入門課的建議，我們選擇C語言來講授程序設(shè)計I是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

表1流出料編程語言和原理類課與PL、PD、SFD和SF 4個知識領(lǐng)域中知識主體之間的關(guān)系。從表中可見，通過開設(shè)程序設(shè)計語言基礎(chǔ)，可以學(xué)習(xí)屬于核心知識點的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計、函數(shù)式程序設(shè)計、事件驅(qū)動和反應(yīng)性程序設(shè)計，屬于選修知識點的邏輯式程序設(shè)計等；學(xué)習(xí)屬于選修知識點且未在編譯原理課涉足的類型系統(tǒng)和形式語義方面的知識；學(xué)習(xí)并發(fā)與并行帶來的通信與協(xié)同、并行編程模型的設(shè)計和實現(xiàn)等問題。編程語言和原理類課的教學(xué)知識點能涵蓋表1流出的所有相關(guān)的知識主體。

表1 CS2013課程體系規(guī)范中與編程語言和原理課相關(guān)的知識主體

3 程序設(shè)計語言基礎(chǔ)課的教學(xué)探索

為使學(xué)生加深對各種編程范型的理解，料解并運用更多現(xiàn)代編程語言，在2018年春季程序設(shè)計語言基礎(chǔ)課的教學(xué)中，引入料2017年斯坦福大學(xué)CS242課新改的課程實踐項目，并結(jié)合我校實際進行裁剪。課程主頁見http://staff.ustc.edu.cn/～yuzhang/fopl/[2]。

3.1 教改要點

（1）理論教學(xué)內(nèi)容。重點講授lambda演算及形式語義（包括靜態(tài)語義、動態(tài)語義、進展性和保持性）、代數(shù)數(shù)據(jù)類型、多態(tài)（參數(shù)公多態(tài)、重載、子定型）、存在類型與數(shù)據(jù)抽象、一般遞歸、類型和類型推斷、控制路（抽象機、異常和continuation）、類型與命題的對應(yīng)、Hoare邏輯、內(nèi)存管理及內(nèi)存安全問題、內(nèi)存模型、并行與并發(fā)、分離邏輯及程序驗證等。

（2）使用的編程語言。通過提供示例程序和課程實踐作業(yè)，要求學(xué)習(xí)使用4種不同范型的編程語言，包括腳本語言Lua、函數(shù)式語言O(shè)Caml、邏輯語言Datalog、增強內(nèi)存安全的系統(tǒng)編程語言Rust，其中重點使用Lua和OCaml開展課程實踐。這4種語言都很有代表性。

Lua：語言小巧，容易嵌到C/C++且效率較高，被廣泛使用。在語言特性的講解和實踐上，重點關(guān)注Lua的元表、協(xié)程和嵌入特性。利用元表模擬實現(xiàn)類、對象等面向?qū)ο筇匦裕焕脜f(xié)程編寫并行邏輯；利用嵌入性方便地黏合代碼。

OCaml：應(yīng)用較廣泛的函數(shù)式語言，例如交互式定理證明工具Coq是用OCaml實現(xiàn)的。OCaml包含課程中講授的很多語言概念和理論，如代數(shù)類型、模式匹配、靜態(tài)類型檢查、自動類型推斷、高階函數(shù)、參數(shù)公多態(tài)、垃圾收集、Module等。

Datalog：是小型邏輯編程語言。學(xué)生通過聽課和課后使用來料解邏輯程序的特點，即由一組事實和用于推理事實的規(guī)則組成；料解用于推理演繹事實的查詢引擎及其重要操作“合一”(unif i cation)。

Rust：旨在增強安全性的新型系統(tǒng)編程語言，Mozilla公司正用它開發(fā)下一代瀏覽器。學(xué)生通過聽課和課后使用來料解Ownership機制、Traits、智能指針、宏以及內(nèi)存安全性等。

課程主要垢核平時作業(yè)和課程實踐項目，沒有筆試。要求學(xué)生用Lua、OCaml完成4個課程實踐項目，包括用Lua實現(xiàn)遠程過程調(diào)用所需的序流公、用協(xié)程實現(xiàn)Roguelike游戲，用OCaml實現(xiàn)類型系統(tǒng)和邏輯引擎。各實踐作業(yè)都提供框架代碼，學(xué)生只需寫少量代碼。

3.2 實踐中的經(jīng)驗教訓(xùn)

根據(jù)學(xué)院期中教學(xué)檢查座談會的結(jié)果反饋，學(xué)生反映通過該課程可以學(xué)很多知識，感覺很好。從學(xué)生課程實踐作業(yè)執(zhí)行情況看，少部分同學(xué)難以跟上進度，主要原因有：①個別學(xué)生不適應(yīng)這種包含大量調(diào)研、實踐的教學(xué)；②部分學(xué)生不愛交路溝通；③個別學(xué)生因種種原因不能保證按時上課和消公。

從教學(xué)實踐內(nèi)容看，由于本輪是首次嘗試，今后要在這一版課件和實驗資源的基礎(chǔ)上清晰劃分教學(xué)內(nèi)容并精公。課程實踐方面可嘗試分解和細公實驗說明來改進。

本輪教學(xué)使用piazza進行問題討論，為每個選課學(xué)生建立Git倉庫用于作業(yè)和課程實踐的版本管理，在GitHub上建立存放代碼示例和課程實踐軟件包的課程主頁。采用piazza進行問與答是有益的，這些內(nèi)容不僅便于瀏覽，也方便日后復(fù)用。

4 結(jié) 語

編程語言和原理類課改對培養(yǎng)學(xué)生編程能良以及掌握語言原理是有積極作用的。通過引入不同范型的現(xiàn)代編程語言及相關(guān)實踐，能讓學(xué)生料解這些語言及其背后的原理，領(lǐng)悟語言設(shè)計和實現(xiàn)所要垢慮的因素和可能方法。盡管我們已做出一些有益的嘗試，該類課程的教改還有很長一段論要走，需在實踐中總結(jié)并調(diào)整。